Waar water is, er zullen ongetwijfeld bellen aan de oppervlakte drijven. Van staande plassen, meren, en stromen, naar zwembaden, bubbelbaden, openbare fonteinen, en toiletten, bubbels zijn alomtegenwoordig, binnen en buiten.

Een nieuwe MIT-studie laat zien hoe bellen die besmet zijn met bacteriën kunnen werken als kleine microbiële granaten, barsten en lanceren van micro-organismen, inclusief potentiële ziekteverwekkers, uit het water en in de lucht.

In de studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers ontdekten dat bacteriën de levensduur van een bel kunnen beïnvloeden:een met bacteriën bedekte bel die op het wateroppervlak drijft, kan meer dan 10 keer langer meegaan dan een niet-verontreinigde, minuten aanhouden in plaats van seconden. Gedurende deze periode, de dop van de verontreinigde bel wordt dunner. Hoe dunner de bubbel, hoe hoger het aantal druppels dat het in de lucht kan lanceren wanneer de bel onvermijdelijk barst. Een enkele druppel, de onderzoekers schatten, kan tot duizenden micro-organismen dragen, en elke bel kan honderden druppels uitstoten.

"We ontdekten dat bacteriën interfaces kunnen manipuleren op een manier die hun eigen water-naar-lucht-verspreiding kan verbeteren, " zegt Lydia Bourouiba, assistent-professor civiele en milieutechniek en directeur van het Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory.

Bourouiba's co-auteur op het papier is afgestudeerde student Stephane Poulain.

Iets in het water

Bourouiba heeft de afgelopen jaren minutieus besteed aan het genereren, in beeld brengen, en kenmerkend schoon, niet-verontreinigde bubbels, met als doel een basislijn van normaal bellengedrag vast te stellen.

"We moesten eerst de fysica van schone bubbels begrijpen voordat we organismen zoals bacteriën konden toevoegen om te zien welk effect ze op het systeem hebben, ' zegt Bourouiba.

Zoals het gebeurt, de onderzoekers merkten de werking van bacteriën voor het eerst enigszins per ongeluk op. Het team was midden in de verhuizing naar een nieuwe laboratoriumruimte, en in de shuffle, een beker water had in de open lucht gelaten. Toen de onderzoeker het in volgende experimenten gebruikte, de resultaten waren niet wat het team had verwacht.

"De bubbels die uit dit water worden geproduceerd, leefden veel langer en hadden een eigenaardige dunner wordende evolutie vergeleken met die van typische schoonwaterbellen, ' zegt Poulain.

Bourouiba vermoedde dat het water besmet was, en het team bevestigde al snel haar hypothese. Ze analyseerden het water en vonden bewijs van bacteriën die van nature binnenshuis aanwezig zijn.

Het sap-effect

Om het effect van bacteriën op bellen direct te bestuderen, het team zette een experiment op waarbij ze een kolom vulden met een oplossing van water en verschillende bacteriesoorten, waaronder E. coli. De onderzoekers ontwikkelden een systeem om met een luchtpomp bellen te genereren, een per keer, binnen de kolom, om het volume en de grootte van elke bel te regelen. Toen een luchtbel naar de oppervlakte kwam, het team gebruikte high-speed beeldvorming in combinatie met een reeks optische technieken om zijn gedrag vast te leggen, aan de oppervlakte en als het barst.

De onderzoekers constateerden dat, toen een met E. coli besmette bel het wateroppervlak bereikte, zijn eigen oppervlak, of pet, begon meteen te verdunnen, meestal door terugvloeien in het water, als een smeltende schelp van chocolade. Dit gedrag was vergelijkbaar met dat van niet-verontreinigde bellen.

Maar de verontreinigde bellen bleven meer dan 10 keer langer aan het oppervlak dan niet-verontreinigde bellen. En na een kritieke periode, de met bacteriën beladen bubbels begonnen veel sneller uit te dunnen. Bourouiba vermoedde dat het misschien niet de bacterie zelf was, maar wat ze afscheiden, die de bubbel langer op zijn plaats houdt.

"Bacteriën leven, en zoals alles wat leeft, ze maken afval, en dat afval typisch iets is dat mogelijk kan interageren met de interface van de bubbel, ", zegt Bourouiba. "Dus hebben we de organismen gescheiden van hun 'sap'."

De onderzoekers spoelden bacteriën weg van hun afscheidingen, herhaalden vervolgens hun experimenten, met behulp van de afscheidingen van de bacteriën. Net zoals Bourouiba vermoedde, de bubbels die alleen de secreties bevatten, gingen veel langer mee dan schone bubbels. de afscheidingen, concludeerde de groep, moet het belangrijkste ingrediënt zijn om de levensduur van een bubbel te verlengen. Maar hoe?

Opnieuw, Bourouiba had een hypothese:bacteriële afscheidingen kunnen de oppervlaktespanning van een bel verminderen, elastischer maken, beter bestand tegen verstoringen, en op het einde, meer kans om langer op een wateroppervlak te leven. Dit gedrag, merkte ze op, was vergelijkbaar met oppervlakte-actieve stoffen, of oppervlakteactieve stoffen, zoals de verbindingen in wasmiddelen die zeepbellen maken.

Om dit idee te testen, de onderzoekers herhaalden de experimenten, deze keer door bacteriën uit te wisselen voor gewone synthetische oppervlakteactieve stoffen, en ontdekten dat ze ook duurzamere bubbels produceerden die na een bepaalde tijd ook dramatisch dunner werden. Dit experiment bevestigde dat de secreties van bacteriën werken als oppervlakteactieve stoffen die de levensduur van verontreinigde bellen verlengen.

De onderzoekers zochten vervolgens naar een verklaring voor de drastische verandering in de verdunningssnelheid van een vervuilde bel. In schone bubbels, het dunner worden van de dop was meestal het gevolg van drainage, omdat water in de dop meestal terugvloeit in de vloeistof waaruit de bel opsteeg. Zulke bubbels leven in de orde van seconden, en hun drainagesnelheid vertraagt ​​voortdurend naarmate de bel dunner wordt.

Maar als een zeepbel een kritieke tijd overleeft, verdamping gaat een dominantere rol spelen dan drainage, in wezen afscheren van watermoleculen van de dop van de bubbel. De onderzoekers concludeerden dat, als een luchtbel bacteriën bevat, de bacteriën en hun afscheidingen, laat een bel langer meegaan op het wateroppervlak - lang genoeg dat verdamping belangrijker wordt dan drainage bij het dunner worden van de dop van de bel.

Naarmate de dop van een bubbel dunner wordt, de druppeltjes die hij eruit spuit als hij onvermijdelijk barst, worden kleiner, sneller, en talrijker. Het team ontdekte dat een enkele met bacteriën beladen bel 10 keer meer druppels kan creëren. die 10 keer kleiner zijn en 10 keer sneller worden uitgeworpen dan wat een schone bel kan produceren. Dit komt neer op honderden druppeltjes die slechts enkele tientallen microns groot zijn en die worden uitgestoten met snelheden in de orde van grootte van 10 meter per seconde.

"Het geïdentificeerde mechanisme [Bourouiba] is ook aan het werk wanneer schuimbellen barsten aan het oppervlak van de oceaan, " zegt Andrea Prosperetti, een professor in werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Houston, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De grootte van deze minuscule filmdruppeltjes bepaalt hoe goed ze kunnen worden opgepikt en gedragen door de wind. Dit proces heeft aanzienlijke gevolgen voor het klimaat en het weer. Hetzelfde basisproces beïnvloedt de gezondheidsrisico's van olielozingen in de oceaan:de kleine film druppels dragen gevaarlijke chemicaliën uit de olie, die door mensen en dieren in de kustgebieden kunnen worden ingeademd. Dus, deze nederige, kleine druppels hebben buitensporige gevolgen in veel processen die cruciaal zijn voor het leven."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.